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FTBL を用いた SCT モジュールの試験とビームパラメータの測定結果. 筑波大学 塙 慶太 松隈恭子、原和彦、目黒立真(筑波大) 海野義信、寺田進、池上陽一、高力孝、幅淳二 ( KEK) 、川崎建夫(新潟大) 他、 KEK 加速器の方々から多くの助言を頂きました. LHC ( Large Hadron Collider ). ジュネーブの CERN (欧州原子核研究機構)における円周 27km の陽子陽子衝突型加速器. 重心系エネルギー: 14TeV ルミノシティー: . 地下約 100m に 4 箇所の観測点がある. ATLAS. LHC の汎用型検出器. - PowerPoint PPT Presentation
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FTBLFTBL を用いたを用いた SCTSCT モジュールのモジュールの試験とビームパラメータの測定結試験とビームパラメータの測定結
果果
筑波大学 塙 慶太松隈恭子、原和彦、目黒立真(筑波大)
海野義信、寺田進、池上陽一、高力孝、幅淳二 ( KEK) 、川崎建夫(新潟大)
他、 KEK 加速器の方々から多くの助言を頂きました
LHCLHC (( Large Hadron ColliderLarge Hadron Collider ))
ジュネーブの CERN (欧州原子核研究機構)における円周 27km の陽子陽子衝突型加速器
重心系エネルギー:14TeVルミノシティー: 1234 scm100.1
地下約 100m に 4 箇所の観測点がある
ATLASATLAS
LHC の汎用型検出器
最大の目標は Higgs 粒子の発見
中心から、内部飛跡検出器、カロリメーター、ミュー粒子検出器で構成
ATLAS ー J SCT グループは、内部飛跡検出器の SCT ( Semi Conductor Tracker )バレル部のシリコン検出器を建設し、運転調整に携わっている。
研究目的研究目的
• SCT 装置を操作し、 SCT の動作特性や飛跡再構成を理解する。– 電子ビームを使って、検出効率や位置分解能な
どを評価
• SCT の優れた分解能を利用し、 FTBLのビーム特性を測定する。
SCTSCT 検出器検出器
SCT モジュールはストリップ型検出器で、ベースボードをはさんでシリコンセンサーを表裏に 40mrad の角度を持たせて貼り付けてある。シリコンセンサーのストリップ間隔は 80μm である。
⇒ 位置分解能 : ストリップを 横切る方向 16μm 沿った方向 580μm
荷電粒子
n バルク
n+
e
e
e
h
h
h
Al ストリップ
p+SiO2
逆バイアス電圧
読み出し
動作原理シリコンセンサーに逆バイアス電圧をかけ、 n バルクを全空乏化する。ここを荷電粒子が通過すると電子 - ホール対が生成され、電場によってドリフトし、ストリップ電極に信号が誘起される。
バレル SCT
KEKKEK 富士テストビームライン富士テストビームライン(FTBL)(FTBL)
電子 : 2 ~ 3 GeV
設定温度 10℃
Cooling box
シンチレーター( 6×12cm )
SCT モジュール:センサー8 面 (6.4×12.8cm)
電子ビーム
9cm
hanawamatsukuma
SCTDAQ systemSCTDAQ system
SCTDAQ とは
SCT モジュールの性能評価を行うために開発された VME に基づくデータ収集システム
テストパルスによるゲイン測定や環境温度測定などのソフトウェアを含む
VME モジュール
バイアス電圧供給: SCTHV低電源供給: SCTLVクロック&コマンド制御: CLOACデータバッファー: Mustard
開発したオンラインモニター
注目する module以外の3点を直線 fit し、次式により c2 を評価した。
飛跡 c2 分布と残差分布( Alignment前後)
:実際のヒット :直線フィットの予測位置 si :位置分解能 (i=x,y) ( σx:0.016 mm; σy:0.58 mm )
( alignment前)
2枚目モジュー2枚目モジュールの残差分布ルの残差分布(x)(x)
( alignment後)
2枚目モジュールの残差分布2枚目モジュールの残差分布
c2 分布
0.00 mm
[mm]
位置分解能位置分解能(飛跡の不確かさを含む)(飛跡の不確かさを含む)
X軸 Y軸
Module 1: Module 2:
53.07±0.14 µm 29.76±0.07
(58. 91±0.19) (29. 03±0.05)
Module 3:
28.86±0.06 Module 4:
(30.03±0.06) 52.75±0.14
(60.01±0.20)
Module 1:
1.202±0.004 mm Module 2:
(1.503±0.013) 1.014±0.004
(0.971±0.003)
Module 3:
1.03±0.00 Module 4:
(1.107±0.007) 1.25±0.008
(1.571±0.003)
測定値(多重散乱)
モジュール検出効率モジュール検出効率
efficiency対象モジュールの両面が反応した数(ずれ<
R)他の3モジュールで再構成された飛跡数
2χ※3 モジュールで構成された
トラックの <3
±R
R
SCT の品質検査で不合格のモジュールを用いたので• 不良チップの個性がある• 高めの閾値電圧 Vth=2f C で運転した
x 方向の R依存性
1
2
3
4
- 20<y<- 5
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
- 30 - 20 - 10 0 10 20 30
x[mm]
effi
cie
ncy
mod1mod2mod3mod4
モジュール検出効率の場所依存性モジュール検出効率の場所依存性ヒット分布(module1)
X軸 [mm]
efficiency(y)場所ごとの
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
1.05
1.1
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70
y[mm]
effi
cie
ncy
module1module2module3module4
-20<y< -5 でのX依存性( Module 1-4 )
-5<x<5 Y依存性
Y軸 [mm]
ハイブリット基板
FTBLFTBL ビームの位相空間ビームの位相空間
dz
dy
dz
dx
xy
dz
dy
x,y共に正の相関⇒ビームは広がっている!?
mm mm
x
傾き= 0 とした場合、 4 モジュール目で約 5mm のずれに相当27cm
(ビームダンプの上流 198cm )
FTBLFTBL のの waistwaist の評価の評価飛跡を重ねると、自由空間で最もビームが絞れた場所( waist )が評価できる最下流 Qマグネット( Q3,Q4 )の電流値を変えた
2m 2m
2m 2m
y
x
z
焦点: -3.40±0.32m全幅: 31.63±0.90mm
焦点: -2.47±0.11m全幅: 25.31±0.51mm
焦点: -1.24±0.12m全幅: 41.93±0.20mm
焦点: -2.12±0.15m全幅: 44.35±0.65mm
Q3=0,Q4=0 SCT の位置ダンプ上流 198cm
Q3,Q4=“best”
WaistWaist の位置と半値全幅のの位置と半値全幅の QQ依存依存
半値幅 [mm]Waist 位置 [m]
Q3 、 Q4 の電流値 Q3 、 Q4 の電流値
Q3, Q4 の設定電流に依存し、 waist 位置が動くことを確認Waist 位置で、ビーム幅は約15mm ( Q4軸方向)、40mm ( Q4垂直)
運動量分散と位置依存運動量分散と位置依存
M5
Horizontal [mm]
Ver
tical
[m
m]
SCT
M5 の測定で 中心+ 30mm ( +1% Δp ) 中心ー 30mm (- 1% Δp ) 中心から 30mm 上 中心から 30mm 下
まとめ
• ATLAS SCT モジュール 4 台からなるシステムをFTBL でテストし、検出効率や位置分解能などを評価した。
• ビーム幅 FWHM は、測定ステージ上で約 4cm 。• 飛跡を再構成することで、ビームの waist や β( デー
タ紹介は割愛した )パラメータを評価できた。 Waist でのビーム幅( FWHM )は約 15mm 。
• Q マグネットの効果や運動量分散の影響を確認できた。
Back upBack up
FTBL モニター 配置図
M1M2
M3 M4
M5
M6
M7
上流
ターゲット +rate monitor
電子モニター ( ストリップシンチ )
SC9
Photon monitor(10/25)
位置依存位置依存
M5-3 M5-6場所(水平面)による位相空間の違い
場所による違いも見られない
位置依存位置依存
M5-12 M5-6
ビームエッミタンス
• 位相空間に分布している粒子群の、位相空間に占める面積
• 小さいほど良いビーム
Twiss parameterTwiss parameter
エミッタンスエミッタンス
モジュール検出効率モジュール検出効率
efficiency
2χ
対象のセンサーの両面が反応した数(ずれ<R)
他の3枚のセンサーで再構成された飛跡数
※3枚のセンサーで構成された
トラックの <3
±R
22tracktrack yyxxR
R
モジュール温度が高めであったので Vth=2f C で運転した
(x3、y3)
(x2、y2)
モジュールの位置較正(モジュールの位置較正( alignmentalignment ))
2,3層目モジュールの中心位置( x2,y2), (x3,y3 )2,3,4層目モジュールの z軸回転( a2, a3, a4 )をパラメータとして、直線フィットの c2 を最小化
ループ数
(rad)
22
44
33
11
a4
各モジュールに1ヒットのみの電子ビーム事象を用いた
-1 mrad
1 mrad
( a2, a3, a4 )の収束
a23a
4a
x=(n0-n1)×0.04/cos(0.02) [mm] n0: モジュール ( 表 ) のストリップ番号
y=(n0+n1-767)×0.04/sin(0.02) [mm] n1: モジュール ( 裏 ) のストリップ番号
trigger ratatrigger rata をあげるために真空を悪くをあげるために真空を悪くしたした
真空に戻した
Best±30%Best±30%
Best-30% Best+30%
同様にビームの焦点、ビーム幅は変わらない
まとめまとめ
• 電子ビームを使って、飛跡再構成をし、検出効率、位置分解能等を評価した。
(FTBL の commissioning に貢献した)• FTBL のビームプロファイルを測定した
Q3,4=0Q3,4=0 YY軸軸
Q3,4=best YQ3,4=best Y軸軸
Q3,4=0Q3,4=0 XX軸軸
Q3,4=best XQ3,4=best X軸軸
M5-9,m5-12M5-9,m5-12
efficiencyefficiency (ハイブリッド部)(ハイブリッド部)
1fc 2.3fc
ResolutionResolution (( simsim ))
X anxi Y anxi
分散y分散y
分散x分散x
位置依存位置依存
M5-3 M5-9場所(水平面)による位相空間の違い
これは点がわかりにくいです。上段の飛跡はいらないでしょう。幅さんに渡した、色分けしたプロットを、
シンチの幅(1cm)と位置( M5 のうしろ ) を意識させて見せたら
M5 の3と9で比べたのなら、+-3cmずれているので、運動量の違いは+-1%の違いです(27mmが1%;江川さんのメール)。そのずれが、 SCT でのずれと相関があるので
、ビーム広がりの一因が運動量分散であると言える。+-1%は、通常程度の分散であり、実際、 FTBL のようにターゲットからコンクリート領域までビームをトランスポートする設計では不可避な値。ただ、設計時のシミュレーションでの
ビーム広がりは小さいので、まだ、十分理解できていない
焦点と半値幅焦点と半値幅
焦点 半値幅
Qダブレットを動かすことにより、焦点、半値幅が動くことを確認
松隈さんから聞いたでしょうが、 Q4軸への回転は正しくやりましたか。データが正しいとして話をすると。。。
プロットは作り直して、みやすくしてください。
横軸: Q3 と Q4 の電流値(” best” で規格化)
縦軸: waist 位置 [m] FWHM [mm]@waist